JP5936919B2

JP5936919B2 - 位置検出装置及びその制御方法、並びにそのシステム

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Publication number: JP5936919B2
Application number: JP2012123306A
Authority: JP
Inventors: 大塚　寛治; 寛治大塚; 秋山　豊; 豊秋山; 佐藤　陽一; 陽一佐藤; 関根　弘一; 弘一関根
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013250642A

Description

本発明は、静電容量型の位置検出装置に関連し、例えばパネルへの物体（例えば指）の接触または非接触により、その座標を抽出する装置及びその制御方法ステム、並びにそのシステムに関する。尚、本明細書において、前記座標を抽出する装置を総称して「タッチパネル」と呼ぶが、それには非接触手段による座標の抽出も含まれる。

近年、スマートフォンに代表されるようなモバイル機器や、液晶表示装置、電子ボード、等の入力インターフェースとしてタッチパネルが利用されている。タッチパネルの技術には、静電容量型方式（サーフェース・キャパシティブ）や抵抗膜方式などが知られている。静電容量型方式は、一般に、ガラスやプラスチック等の透明基板の表面に透明な導電膜をコーティングし、透明基板に指を触れることで、静電容量（コンデンサ）を形成し、静電容量を介して流された微弱電流の変化分を検出することで位置（座標）を検出している。静電容量型方式は、抵抗膜方式のように２層の導電膜を必要とせず、透明な導電膜を成膜したガラス基板１枚で構成することができるため、抵抗膜方式に比べて部品点数が少なくかつ透過率も高い利点をもつ。

第１の基板と第２の基板との間に液晶を挟み、第２の基板の表面に透明導電膜を形成することで、静電容量結合方式のタッチパネル機能を備えた液晶モジュールが構成される（特許文献１、２）。このタッチパネルでは、透明導電膜の各コーナーの４点のノードにパルス電圧が印加され、指が接触されたとき、指の接触位置に応じて各コーナーのノードに現れる電圧波形は異なる時定数の電圧波形となり、これらの電圧波形に基づき接触位置（座標位置）を検出している。また、タッチパネルの対角を成す一方のコーナーにパルス電圧を印加したときの他方のコーナーに現れるパルス電圧の立ち上がり時間を計測し、次に、他方のコーナーにパルス電圧を印加したときの一方のコーナーに現れるパルス電圧の立ち上がり時間を計測し、それら２つの計測時間の時間差を利用して指の接触位置を検出するものもある（特許文献３）。更に、抵抗膜の４隅にの接続点に交流信号を印加し、その４隅のうち２点に流れる電流の差分をもとに座標を算出する表示装置が開示されるものもある。（特許文献４）。

特許文献１：特開２００８−１３４５２２号公報
特許文献２：特開２００９−１１６０９０号公報
特許文献３：特開２００９−０１５４９２号公報
特許文献４：特開２００７−２０７１２４号公報
尚、特許文献１〜3のそれぞれを本発明書に盛り込み、特許文献１〜４のそれぞれが開示する内容を本明細書の開示の一部とする。

本発明は、物体が基板に接触した位置、または物体が基板に非接触に近づいた位置を、正確（高精度）にかつ高速に検出することができる静電容量型の位置検出装置及びその制御方法（位置検出方法）、並びに位置検出装置を含むシステムが望まれる。また、特許文献４に開示される電流をもとに座標を算出する方式は、電流を電圧に変換することを開示するも平均電流をもとに算出するものであるから消費電力値が大きく又座標を算出する時間も長い。

本発明に係る位置検出装置は、導電膜と、前記導電膜上に形成された絶縁膜と、前記導電膜のＸ軸またはＹ軸の少なくともいずれか一方の軸上における少なくとも２点に接続された第１および第２のノードと、前記第１および第２のノードに、クロック信号を印加する第１の回路（印加回路）と、前記第１および第２のノードからそれぞれ得られた第１および第２の出力電圧の対数信号比を示す第１の対数信号比を生成する第２の回路（抽出回路）と、前記第１の対数信号比に基づき、前記絶縁膜に物体が接近または接触した前記少なくともいずれか一方の軸の座標位置を導く第３の回路（検出回路）と、を有する。

本発明の位置検出方法は、導電膜のＸ軸上の第１および第２のノード、並びに前記導電膜上のＹ軸上の第３および第４のノードに共通のクロック信号を印加し、Ｘ軸上の第１及び第２のノードの電圧に関連する対数信号比を示す第１の対数信号比を生成し、Ｙ軸上の第３及び第４のノードの電圧に関連する対数信号比を示す第２の対数信号比を生成し、前記第１および第２の対数信号比に基づき、前記導電膜上に形成された絶縁膜のＸＹ平面上に物体が接近または接触する位置の座標を導く。

本発明によれば、複数のノードにそれぞれ対応する複数の対数信号比を生成することにより、例えば、導電膜上に形成された絶縁膜のＸＹ平面上に物体が接近または接触する位置の座標を正確にかつ高速に検出することができる。

図１（Ａ）は、タッチパネルの基板の構成を示す断面図、図１（Ｂ）は、本発明の実施例のタッチパネルの全体構成を示す図である。図２（Ａ）は本発明の実施例に係るタッチパネルのノードＡ、Ｂから接触位置に至る抵抗と、接触位置における容量を示す図、図２（Ｂ）はノードＡ、ＢでのStep波形に対する応答カーブである。本発明の実施例に係るタッチパネルのノードＡ、Ｂからタッチ位置に至る抵抗と距離、接触位置における容量を示す図である。タッチパネルのノードＡ、Ｂでの出力波形の時間推移。飽和出力からの差異出力Ｖα、Ｖβ示す図である。タッチパネルのノードＡ、Ｂでの飽和出力からの差異出力Ｖα、Ｖβの数式と、Ｖα、Ｖβの対数表示、及び両者の比を取った数式展開を示す図である。タッチパネルのノードＡ、Ｂ間の電圧の測定原理を説明する図である。タッチパネルのノードＡ、Ｂ間の電圧、およびノードＡ，Ｄ間の電圧の測定原理を説明する図である。本発明の実施例に係るタッチパネルの位置情報抽出部の構成を示すブロック図である。本発明の実施例による２点接触の検出原理を説明する図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調されており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１（Ａ）は、本実施例に係る静電容量型のタッチパネルが含む基板の概略構成を示す断面図である。タッチパネル１０は、ガラス、プラスチック、またはその他の材の透明な基板１２と、基板１２の全面に形成されたＩＴＯ(Indium Tin Oxide) 、またはその他の材の透明な導電膜１４とを含んで構成される。導電膜１４は、薄いシート状の透明な絶縁保護膜１６、例えばポリエステルシートなどの樹脂シート、またはガラス（好ましくは強化ガラス、複層ガラス、多層ガラス）などの樹脂よりも高い弾性率、剛性率を有する硬度シートによって覆われていてもよい。典型的に、タッチパネル１０は、表示ディスプレイ（例えば、液晶パネル、有機エレクトロルミネッセンス(Organic Electro-Luminescence) パネル、電子ボード）とモジュール化または一体化され、入力機能を有する表示装置を構成する。例えば、基板１２は、液晶パネルなどで生成された画像情報を透過するように構成される。尚、本明細書において「タッチパネル」とは、物体がパネルに接触する（タッチング）ことに限られず、物体とパネルが所定の距離を介する非接触も含まれる。非接触の例えとして、物体（例えば指）がパネル上空をホバリングしながらムービングする場合も含まれる。更に、基板１２はリジットであってもフレキシブルであってもよい。つまり、タッチパネル１０は、表示ディスプレイの組成特性に対応してリジットであってもフレキシブルであってもよい。更に、タッチパネル１０が表示ディスプレイと一体化される場合、タッチパネル１０としての基板１２を省略できる場合がある。

図１（Ｂ）は、タッチパネル１０の全体の概略構成を示す図である。導電膜１４上のＸ軸およびＹ軸の各コーナーには、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが形成され、各ノードＡ〜Ｄは、抵抗Ｒ０を介して基準電位発生回路２０の共通ノードＮに接続される。基準電位発生回路２０は、好ましくは一定の周波数、例えば１ＭＨｚの基準パルス信号（後述する図２（Ｂ）に示される矩形波（Square wave））を生成するものであり、さらに基準パルス信号に一定の直流バイアスを付加するものであってもよい。これにより、各ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄには、抵抗Ｒ０を介して同時に、同相、同電位の基準クロック信号が供給される。

静電容量型のタッチパネルにおいて、指が導電膜１４に接触され、あるいは保護膜１６を介して導電膜１４に接近されると（以下、このような接近を含めて接触という）、その接触位置Ｐ（図１（Ｂ）を参照）に静電容量Ｃｓが形成され、各ノードＡ〜Ｄから接触位置Ｐには微弱な電流が流れる。ノードＡから接触位置Ｐまでの距離、ノードＢから接触位置Ｐまでの距離に応じた抵抗Ｒａ、Ｒｂが形成されるため、各ノードＡ〜Ｄには、抵抗と静電容量の時定数で決まる電圧波形の電流が流れることになる。

各ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに流れる信号は、位置情報抽出部３０へ提供され、位置情報抽出部３０は、後述するように、Ｘ軸のノードＡ、Ｂ間の対数信号比を抽出し、かつＹ軸のノードＡ、Ｄ間の対数信号比を抽出するような処理を行う。位置情報抽出部３０によって抽出された情報は、位置検出部４０へ提供され、抽出された位置情報に基づき接触位置Ｐを特定するための位置検出が行われる。位置情報検出部３０および位置検出部４０は、どのような形態によって構成されてもよく、ハードウエア、ソフトウエア、あるいはハードウエアとソフトウエアの双方を用いて構成することができる。好ましい態様では、位置情報検出部３０は、アナログ信号を処理する回路等によって構成され、位置検出部４０は、ディジタル信号を処理する回路やソフトウエアによって構成される。位置検出部４０の出力は、表示装置、または表示装置を制御するシステムに提供される。

次に、本実施例に係るタッチパネルの位置検出原理について説明する。本実施例では、図１（Ｂ）に示すように、静電容量型のタッチパネルにおいて、Ｘ軸上の２点のノードＡ、Ｂ、Ｙ軸上の２点のノードＡ、Ｄの対数信号比を利用して接触位置を検出する。

図２（Ａ）に示すように、タッチパネル上の接触位置Ｐが接触されたとき、Ｘ軸のノードＡ、Ｂには、図２（Ｂ）に示すように、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、静電容量Ｃｘｙによる時定数で決まる電圧信号Ｖａ、Ｖｂが生じる。ここには示していないが、Ｙ軸のノードＡ、Ｄにも同様に、抵抗Ｒａ、Ｒｄによる時定数で決まる電圧信号Ｖａ、Ｖｄが生じる。この電圧信号Ｖａ、Ｖｄのそれぞれの遷移は、ＣＲ時定数による過渡領域（transient area）における所定時間の電位である。尚、図２（Ｂ）に示される矩形波は、基準電位発生回路２０が各ノードＡ〜Ｄに供給する基準パルス信号（図１（Ｂ）の共通ノードＮ）を示す。矩形波の上辺が、飽和出力電位（５ｖ）である。矩形波の底辺（下辺）が、０ｖである。０ｖと５ｖの間の電位の遷移期間が、非飽和出力電位である。

図３に示すように、タッチパネル上の接触位置Ｐ１がタッチ箇所の場合、Ｘ軸のノードＡ、ＢとＰ１間には、図に示すように、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、静電容量Ｃｘｙが生じる。抵抗Ｒａ、Ｒｂは一義的にノードＡ，ＢとＰ１間の距離Ｄａ、Ｄｂに依存し、ほぼ比例関係にある。この比例係数はＰ１の位置に依存する。この比例係数は、Ｐ１がパネルの周辺部分に無いとき、ほぼ一定になる。

図４に示すように、ノードＡ，ＢにおけるStep波形応答の電圧信号Ｖａ、Ｖｂは、静電容量Ｃｘｙと抵抗Ｒａ、Ｒｂによる時定数で決まる波形になるが、これと飽和出力からの差異出力をＶα、Ｖβとして図４に示している。ここでＶα、Ｖβはパルスの立ち上がりから一定時間（ｔ０）後の出力を取る。

図５には、タッチパネルのノードＡ、Ｂでの飽和出力からの差異出力Ｖα、Ｖβの数式と、Ｖα、Ｖβの対数表示、及び両者の比を取った数式展開を示す。ｋは定数であり、対数の比を取ることでこの定数は消え、Ｐ１とノードＡ，Ｂ間の抵抗Ｒａ、Ｒｂの比になり、距離Ｄａ、Ｄｂの比になる。これにより差異出力Ｖα、Ｖβの対数信号比を取ることにより、接触位置Ｐ１のノードＡ，Ｂから距離比が求まる。

図６は、電圧の測定原理を説明する図である。ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対して、図に示すように接触位置ＰがノードＡに近く、ノードＢから離れているとすると、接触位置ＰとノードＡ間の抵抗が小さいため、ノードＡには接触位置Ｐの影響が強く現れ（電圧の低下が大きく）、反対に、ノードＢには接触位置ＰとノードＢ間の抵抗が大きいため接触位置Ｐの影響が弱く現れる（電圧低下が小さい）。このため、ノードＡからノードＢの電圧変化を対数での比で見ると、ノードＡ、Ｂから見た接触位置Ｐまでの距離ａ、距離ｂの比が求まることになる。

次に、クロック信号を、抵抗Ｒ０を介してタッチパネルの４つのノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに同時に印加したときの２つのノード間の差動電圧測定モデルについて検討する。図７に示すように、Ｐを接触位置、a、b、c、dを接触位置Ｐから各ノードまでの距離とする。この時、各端子に現れる電圧をＶ(Ａ)、Ｖ(Ｂ)、Ｖ(Ｃ)、Ｖ(Ｄ)とする。これらに対応した飽和出力からの差異出力を、それぞれＶα、Ｖβ、Ｖγ、Ｖζとする。これらの対数を算出し、それぞれの比を取ることで、接触位置のＸ座標、Ｙ座標が求まる。

本実施例による対数比を利用した位置検出アルゴリズムを整理すると次のようになる。４つのノードＡ〜Ｄに同時に基準パルス信号を入力し、そのうち、Ｘ軸、Ｙ軸の２つのノードの出力波形を測定する。パルスの立ち上がりから一定時間（ｔ０）後の飽和出力からの差異出力を取る。次にこれの対数を取り、Ｘ軸、Ｙ軸に対しの２つのノードに対する対数比を取ることにより、距離の比がＸ軸、Ｙ軸に対し求まる。これにより接触位置のＸ軸、Ｙ軸に対する位置が求まる。サンプリング間隔を０．０１ｓ（秒）レベルで行い、２点測定と時間軸の２点測定からノイズキャンセルする。なおこのサンプリング動作ではサンプリング毎に例えば１ＭＨｚの基準クロック信号に合わせてＸ軸のノードＡ、ＢとノードＣ、Ｄの２点測定、Ｙ軸のノードＡ、ＤとノードＢ、Ｃの２点測定を１つの単位としてノイズキャンセルを図るに必要な回数繰り返すことになる。

次に、本実施例のタッチパネルの好ましい構成について説明する。図８は、位置情報抽出部の好ましい構成を示すブロック図である。図１の位置情報抽出部３０は、図８においては、４つのノードＡ〜Ｄの出力信号を入力し、その中から２つの出力信号を選択するセレクター１００と、セレクター１００によって選択された２つのノードの出力信号を入力する対数比回路１０２と、対数比回路１０２から出力された信号のノイズを除去するフィルター１０４と、ノイズが除去された対数比信号の出力信号をアナログ／ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータ１０８と、各ノードに電流が流れたことに応答して指の接触があったことを検出する第３の回路（検出回路）１１０と、第３の回路（検出回路）１１０により接触が検出されると、セレクター１００による選択の切替を行うフリップフロップ回路１１２と、基準電位発生回路２０からの基準クロック信号を受け取り、信号バスＢＵＳを介して種々のクロック信号を各部に供給するコントローラ１１４とを含んで構成される。

第３の回路（検出回路）１１０は、コントローラ１１４から供給されるクロック信号の立ち上がりに同期するタイミングで指の接触の有無を検出する。指の接触が検出された場合には、第３の回路（検出回路）１１０は、フリップフロップ回路１１２にイネーブル信号を供給し、フリップフロップ回路１１２を動作可能な状態にする。コントローラ１１４は、フリップフロップ回路１１２に信号バスＢＵＳを介して一定周波数のクロック信号を供給し、フリップフロップ回路１１２はクロック信号に応答して第３の回路（検出回路）の検出状態を保持する信号をセレクター１００に出力する。コントローラ１１４はまた、クロック信号に応答して選択状態に対応した切替クロック信号をセレクター１００に出力する。セレクター１００は、選択状態に応じて１対のノードの出力信号を選択する。例えば、最初の選択状態のとき、Ｘ軸上のノードＡ、Ｂの出力信号を選択し、次の状態のとき、Ｙ軸上のノードＡ、Ｄの出力信号を選択し、というように順次必要な出力信号を選択しこれらの組み合わせが繰り返される。この選択の周期は、コントローラ１１４からのクロック信号の周波数により適宜選択されるが、好ましくは、指の接触時間は、典型的に０．１秒程度であるので、その間にセレクター１００が少なくとも１００回程度のノードのサンプリングができるようにする。

対数比回路１０２は、セレクター１００によって選択された２つのノード（ＡとＢ、またはＡとＤ）の出力信号の対数比信号を抽出する。ノイズが除去された対数比信号の出力信号をアナログ／ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータ１０８の出力値を受け取り、これを所定のビット数のディジタル値に変換し、図１に示す位置検出部４０へ提供する。位置検出部４０は、後述するように受け取ったディジタル信号を処理することで、接触位置を検出する。

次に、本実施例の位置検出部について説明する。図１（Ｂ）に示す位置検出部４０は、位置情報抽出部３０により抽出されたデータに基づき、１点接触（シングルタッチ）、複数点接触（マルチタッチ）の判定を行い、その判定結果に基づき検出した接触位置に該当する座標情報を出力する。例えば、位置検出部４０は、対数信号比（位置情報抽出部３０により抽出されたデータ）が第１のしきい値以下であるとき接近または接触位置は１つであると判定し、前記第１の対数信号比が第１のしきい値より大きいとき前記接近または接触位置は少なくとも２つであると判定する。

次に、複数点接触（マルチタッチ）の位置検出方法について説明する。複数点接触の位置検出は、１点接触の重ね合わせから求めることができる。図９に示すように、接触点Ｔ２が接触点Ｔ１と重なったときを考える。ただし、信号量はノードＡ−Ｂから見た値とする。この場合、接触による静電容量がほぼ２倍になるため、信号量が増加する。但し、信号量の大きさは２倍にはならず、１点接触のときの１．３〜１．８程度である。接触点Ｔ２が接触点Ｔ１から離れてゆくと、図の例では、ｂ２の抵抗変化は少ないが、ａ２の抵抗が大きく変化する。接触点Ｔ１の距離ａ１がノードＡの近傍にあり、ｂ１はノードＢから離れているため、信号電圧はほとんどａ１で決まる。接触点Ｔ２が接触点Ｔ１から離れると、距離ａ２が大きくなり、ａ２による信号量が低下し、接触点Ｔ２の移動により信号量が小さくなる。ａ２がよりノードＡに近づくと、逆に信号量が大きくなる。この信号量の変化は、２点間の移動距離に対応した値になる。これが、２点接触の検出原理である。２点接触では、接触により静電容量が増加することにより信号量も増加するので、比較的感度が高い。他方、Ｘ軸のノードＡ−Ｂの感度が低下しても、Ｙ軸のノードＡ−Ｄがそれを補完するため、検出することが可能である。同様にノードＢ−Ｃ、Ｃ−Ｄでも検知を行うことで、２つの接触点の座標を求めることが出来る。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０：タッチパネル
１２：基板
１４：導電膜
１６：保護膜
２０：基準電位発生回路
３０：位置情報抽出部
４０：位置検出部
１００：セレクター
１０２：対数比回路
１０４：フィルター
１０８：Ａ／Ｄ変換器
１１０：タッチ第３の回路（検出回路）
１１２：フリップフロップ回路
１１４：コントローラ
Ｐ１、Ｔ１，Ｔ２：接触位置
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ：ノード

Claims

導電膜と、
前記導電膜上に形成された絶縁膜と、
前記導電膜のＸ軸またはＹ軸の少なくともいずれか一方の軸上における少なくとも２点に接続された第１および第２のノードと、
前記第１および第２のノードに、クロック信号を印加する第１の回路（印加回路）と、
前記第１および第２のノードからそれぞれ得られた第１および第２の出力電圧の対数信号比を示す第１の対数信号比を生成する第２の回路（抽出回路）と、
前記第１の対数信号比に基づき、前記絶縁膜に物体が接近または接触した前記少なくともいずれか一方の軸の座標位置を導く第３の回路（検出回路）と、
を有する位置検出装置。
前記クロック信号は矩形波であり、
前記第１および第２の出力電圧のそれぞれは、前記クロック信号に対応し、時定数に関連する電圧である、請求項１に記載の位置検出装置。
位置検出装置はさらに、前記第１および第２のノードとは異なるＸ軸またはＹ軸の少なくともいずれか他方の軸上の少なくとも２点に接続された、前記クロック信号が印加された第３および第４のノードを含み、
前記第２の回路（抽出回路）は、前記第３および第４のノードからそれぞれ得られた第３および第４の出力電圧の対数信号比を示す第２の対数信号比を生成し、
前記第３の回路（検出回路）は、前記第１および第２の対数信号比に基づき前記絶縁膜に物体が接近または接触したＸＹ平面上の座標位置を導く、請求項１または２に記載の位置検出装置。
前記第３の回路（検出回路）は、前記第１の対数信号比と第１のしきい値とを比較し、前記第１の対数信号比が第１のしきい値以下であるとき接近または接触位置は１つであると判定し、前記第１の対数信号比が第１のしきい値より大きいとき前記接近または接触位置は少なくとも２つであると判定する判定部を含む、請求項１または２に記載の位置検出装置。
前記第２の回路（抽出回路）は、前記第１の対数信号比のノイズを除去するフィルターを含む、請求項１または２に記載の位置検出装置。